CO2空气源热泵在铁路沿线供暖应用探究

令永春

(兰州铁路局计划统计处，甘肃 兰州 730000)

1 背景

铁路沿线特别是北方地区冬季供暖点多分散，无法接入集中热网，能耗高，人工及管理成本高，维护费用大。兰州局沿线建筑有多处1 t 以下的小型燃煤锅炉，很多处所交通不便，冬天运煤困难。加之国家节能减排的力度逐年加大，地方政府要求强行拆除小型燃煤锅炉。目前在铁路沿线建筑已成功应用清洁能源的技术很多，比如地源热泵，空气源热泵，但由于现有室内取暖设备都是金属暖气片，需较高供水温度，在严寒地区地源热泵、空气源热泵无法很好解决这种问题。若将小型燃煤锅炉改为电锅炉取暖，则存在运行能耗高、成本大等缺点。因此，寻求一种新能源技术来替代现有采暖方式是解决铁路沿线站区冬季采暖的现实需求。

CO2空气源热泵是一种利用吸收环境空气中的热量，通过压缩制热循环，将低品位热能提升为高品位热能的制热装置，并将热量释放给热水器或暖气片中，为供暖和生活热水使用。1886 年德国开始设计并获得专利技术，经过不断发展和技术进步，CO2热泵机组已经在欧美、日本等广泛使用。2009 年我国科技部提出在3～5 年内对CO2热泵实行产业化的指导性产业政策，目前国内只有几个工程在试运行，分散在山东、山西、甘肃。其中铁路系统仅在兰州铁路局管内包兰线白银西供电车间、兰新线深沟变电所和沈阳局、青藏铁路公司等几处建筑运用，收到了较好的节能环保效益。

2 CO2空气源热泵简介

2.1 原理

CO2空气源热泵就是以CO2作为制冷剂的热泵机组，CO2跨临界循环不仅具有较高的供热系数，而且系统紧凑，产生的热水温度高。CO2空气源热泵核心原理［1］见图1 。

由图1 可知，系统由压缩机、气体冷却器、回热器、节流阀、蒸发器、贮液器组成封闭回路。低温低压的CO2气体在压缩机中压缩至超临界然后进入气体冷却器中被冷却介质(水或空气)冷却，离开气体冷却器后，高压气体在回热器中进一步冷却。然后CO2气体节流降压温度下降，部分被液化，湿蒸汽进入蒸发器中汽化，贮液器中出来的低压饱和蒸汽进入回热器，低压侧通道吸收高压侧中超临界流体，吸热量后成为过热蒸汽进入压缩机升压提温，反复循环运动。

图1 CO2空气源热泵核心原理

2.2 核心配置特点

压缩机:活塞式CO2热泵特种压缩机，理论设计使用寿命30 年。特点:耐高压、耐高温、高效、密封性能好，适合变工况。

蒸发器特点:高效、耐压、压降小、换热系数是壳管式的3 倍，承压是传统蒸发器的10 倍。空气流动量可增加40%，换热量增加10%，整机能效提高10.4%。CO2分布均匀，工质温度不变，顺流结构。

电子膨胀阀特点:承压高、耐低温、调节流量宽、破裂压力可到38 MPa。

回热器特点:二次降温提高效率10%，减少节流阀热损失，降低系统最佳性能所需的排气压力。

盘管式气体冷却器特点:逆流结构，承受压力高。气体冷却器对于提高循环性能和降低高压压力、减少压缩机功耗起很重要作用。

3 CO2热泵供热系统主要设备

3.1 设备组成

CO2热泵供热系统主要有四部分:(1)CO2热泵机组;(2)热水供暖系统;(3)供电系统;(4)控制系统。

3.2 设备安装

热泵机组与暖气连接配置见图2 。

图2 热泵机组与暖气连接配置

小型燃煤锅炉停用，把CO2热泵主机直接安装到现有的供热水管道上，供水循环泵不变，采暖末端系统不变，单独接通一根供电电源给CO2热泵提供动力，热泵主机安装在锅炉房附近，为了防雪外罩一个彩钢板房上下开口留有进出气孔，供空气交换。在自有水管道上加装一个超声波热量表，供电配电箱中加装电能表，在管道加装流量调节阀(调节水流量)。

通过CO2热泵压缩机的安装→测试→制冷剂的压力控制→蒸发器、气体冷却器出口温度的控制→压缩功的优化调解→实现CO2热泵跨临界制冷循环中其放热过程的温度滑移与所需的温热源相匹配→供水压力与温度调解与控制→机组的功率与型号与建筑物采暖面积的匹配→通过供回水温度调解热泵运行时间→实现节能环保的供暖和加热生活热水的目的。

4 实际应用

4.1 项目选点

在包兰线白银西供电车间进行了该项目的改造。该项目地海拔1 275 m，气压72 200 Pa，昼夜温差大，空气氧含量少，常规能源燃烧不充分，能耗高，污染严重，从可持续发展角度出发，采用清洁能源采暖，有利于节能减排。

4.2 供暖效果

白银西供电车间，供暖面积973 m2，建设于70 年代，非节能建筑，供热末端铸铁金属暖气片。

根据现场测试，在环境温度-20℃左右，CO2热泵机组出水温度能达到60℃左右，经过对白银西电力车间冬季采暖期房间温度连续测试，均能达到20℃左右，满足冬季房间采暖需求。

4.3 经济效益分析

4.3.1 白银西电力车间锅炉房供暖设备更新前后成本对比

对比结果见表1。

表1 白银西电力车间锅炉房供暖设备更新前后成本对比

由表1 可知，

节支率:改造前能耗及人员成本年支出25.2万元，改造后14.7 万元，节支10.5 万元，成本节支率42%。

节能率:改造前能耗折标煤:75* 0.791 +2.3876* 1.229=62.3 t 标煤;改造后10.7554*1.229=13.2 t 标煤。节能率达78.8%，且减少600 kg 二氧化硫，1500 kg 烟尘等污染物排放。

通过上述数据分析，对铁路沿线小型燃煤供暖锅炉改造为二氧化碳热泵机组，能耗成本大致相当，主要节约了司炉工人员成本，同时节能性和环保性较好。

4.3.2 三种供热方式经济性分析

以兰州地区1 000 m2公共建筑，热负荷60 W/m2，150 天供热，采暖计算温度-15℃为例，三种供热方式费用比较见表2。

表2 不同供热方式费用对比

由表2 可知，CO2空气源热泵比电锅炉节能约53%，比油锅炉节能约65%。

4.4 设备安全性分析

整个系统的运行无传统热水器(燃油、燃气或电热水器)中可能存在的易燃、易爆、中毒、短路等危险，是一种安全可靠的热水系统。

4.5 注意事项

(1)热水管路结垢，会影响热水器性能的发挥。建议采取一定的防垢除垢措施。如安装除垢仪、硬水软化设施等，也可采取定期除垢的方法进行结垢清理。

(2)冬季压缩机护网结霜，会影响压缩机正常工作。建议采用人工除霜方式，定时进行清理。

5 CO2热泵与地源热泵的优缺点比较

地源热泵是目前比较成熟的节能环保技术，国家和铁路系统正在大力推广此项技术。其优点为:(1)一机三用，能够满足制热、制冷、提供生活热水。(2)自动化程度高，操作简便。(3)节能环保效果好。(4)运行无污染，无燃烧，无废弃物。其缺点是:(1)工程设计前期工作量大。由于地源热泵应用取决于地质结构出水量、出水温度、施工条件等诸多条件限制，项目设计前期，需要做水文、地质等勘察，前期工作量较大。(2)工程实施过程中有很多不确定性因素，导致工程施工存在一定风险，不是所有项目都适合。(3)布设地耦井占地面积较大。(4)隐蔽工程多，几乎无法维修。

CO2空气源热泵相对地源热泵的缺点是:该系统只能供暖、提供生水热水，不能制冷。优点是:改造施工简单，只需将热泵机组与现有沿线工区、站房供热系统对接，无需专用机房，无工程风险，施工工期短。

6 结论

按照CO2热泵机组理论数据和现场测试数据，CO2热泵能满足:面积在5 000 m2以下，冬季室外采暖计算温度-20℃的我国三北地区及南方冬天需供暖、供应生产生活热水的需求。

CO2热泵替代传统的热源，不但节能而且无污染物排放，是一种值得推广的供暖方式。

［1］丁国良，黄冬平.二氧化碳制冷技术［M］.北京:化学工业出版社，2007:218 -219.